2022年2月，美国宇航局朱诺号宇宙飞船拍摄的木星图像。黑点是卫星Ganymede的影子。这些彩色图案是由不同高度的云形成的，主要由氨冰、硫化氢铵和水组成。图片来源:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS，图像处理由Thomas Thomopoulos?CC by
在对木星风的研究中，一种用于发现许多光年外行星的工具首次被应用于太阳系的一个物体上。
我们发现自己处在这样一个时代，发现围绕另一颗恒星运行的行星已经变得几乎司空见惯，已经有5000多颗被记录在案。第一批纳入这个名单的遥远世界主要是巨行星，与木星和土星相似，但在许多方面又有很大不同。
天体物理学家已经开始获得系外行星大气层的数据，但关于太阳系最大行星大气层的基本问题尚未得到解答。为了了解木星的云层和空气层发生了什么，有必要在持续的观测中长期研究它。现在，一种用来寻找和分析数光年外的系外行星的仪器首次被对准了太阳系中距离地球43光分的目标:木星。
在智利的帕拉纳天文台，用VLT望远镜观测木星期间，ESPRESSO光谱仪控制控制台。图片来源:Pedro Machado
利用ESPRESSO光谱仪
来自葡萄牙里斯本大学(Ciências ULisboa)科学院天体物理与空间科学研究所(IA)的研究人员使用安装在欧洲南方天文台(ESO) VLT望远镜上的ESPRESSO光谱仪测量了木星上的风速。研究结果发表在科学杂志《宇宙》上。
该团队开发的方法被称为多普勒测速法，它基于目标行星大气中云层对太阳可见光的反射。反射光的波长弯曲程度与云层相对于地球上望远镜的移动速度成正比。这给出了在观测点的瞬时风速。
来自IA和Ciências ULisboa的研究员Pedro Machado站在智利帕拉纳天文台VLT (ESO)的四个望远镜旁边。图片来源:Pedro Machado
ESPRESSO现在使用的方法是由IA的行星系统研究小组开发的，与其他光谱仪一起研究金星的大气。几年来，研究人员一直在测量这颗邻近行星的风，并为其总体大气的建模做出了贡献。现在，这种方法在ESPRESSO等“顶级”仪器上的探索性应用取得了成功，为我们的宇宙邻居的知识开辟了新的视野。这项工作证实了系统地监测气态行星上最遥远大气层的可行性。
方法与观察
在2019年7月的五个小时里，研究小组将VLT望远镜对准了木星的赤道区，那里的轻云位于更高的高度，以及这颗行星的南北赤道带，这与下降的空气相对应，并在大气层的深层形成了黑暗、温暖的云带。
2019年5月，美国宇航局的朱诺号探测器获得了木星的图像，在地球的北半球可以看到风暴区。图片来源:凯文·m·吉尔(Kevin M. Gill)根据NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS提供的图片进行了增强。
来自IA和Ciências ULisboa的Pedro Machado说:“木星的大气层，在地球上可见的云层的水平，含有氨、硫化氢铵和水，它们形成了独特的红色和白色带。位于0.6到0.9巴压力区的上层云层是由氨冰组成的。”水云形成了最密集、最低的一层，对大气动力学的影响最大，”研究人员补充说。
研究中的挑战和创新
利用ESPRESSO，该团队能够测量木星上60至428公里/小时的风速，不确定性小于36公里/小时。佩德罗·马查多(Pedro Machado)解释说，这些用高分辨率仪器对气态行星进行的观测面临着挑战:“其中一个困难集中在木星盘上的‘导航’上，也就是说，由于VLT望远镜的巨大分辨率，我们确切地知道我们指向的是木星盘上的哪一点。”
“在研究本身，困难在于我们以每秒几米的精度来确定风，而木星在赤道的旋转速度是每秒10公里，更复杂的是，因为它是一颗气态行星，而不是刚体，它的旋转速度取决于我们观察到的点的纬度，”研究人员补充说。
智利帕拉纳天文台的房间，从ESPRESSO光谱仪接收VLT图像和数据。这台设计用来观测距离地球至少10万倍远的行星的摄谱仪，史无前例地观测到了太阳系中的一个物体——木星，引起了在场的其他天体物理学家和技术人员的兴趣。图片来源:鲁本·贡帕拉尔维斯
为了验证地球上望远镜的多普勒测速技术在测量木星风方面的有效性，研究小组还收集了过去获得的测量数据，以便比较结果。现有的大部分数据是由太空中的仪器收集的，使用了一种不同的方法，即通过跟踪在附近时间捕获的图像中的云模式来获得风速的平均值。
这段历史与现在发表的研究中测量的值之间的一致性证实了在地球上监测木星风的计划中实施多普勒测速法的可行性。
监测将使研究小组能够收集有关风如何随时间变化的数据，这对于开发木星大气全球循环的可靠模型至关重要。这个计算模型应该可以重现不同纬度的风的差异，以及木星的风暴，以帮助理解我们在这个星球上观察到的大气现象的原因。相反，该模型将有助于为未来的观测做准备，其中包括望远镜视野中云层的压力和高度信息。
该团队打算将ESPRESSO的观测范围扩大到木星圆盘的更大范围，同时在木星整个自转周期(大约10小时)内收集风的数据。将观测限制在一定波长范围内，还可以测量不同高度的风，从而获得有关空气层垂直输送的信息。
一旦这项技术在太阳系最大的行星上被掌握，研究小组希望将其应用于其他气态行星的大气层，土星是下一个目标。ESPRESSO的这些观测的成功被证明是非常重要的，因为它的继任者，安第斯，正在为未来的超大望远镜(ELT)设计，同样来自ESO，目前正在智利建设，以及未来的JUICE任务，来自欧洲航天局，致力于木星，将提供额外的数据。
参考文献:《基于VLT/ESPRESSO的高分辨率光谱的木星大气动力学》，作者:Pedro Machado, jos